日军修整了约1个月之后，补充了兵力，使第3军的兵力达到6万余人，于9月19日再次向旅顺发起第二次进攻。这次进攻的主要目标是位于旅顺北部的203高地，因为占领203高地，就可以俯瞰旅顺城内和港湾，是旅顺攻防战的关建要点。
不过日军为了分散俄军的兵力，并未集中兵力进攻203高地，而且分兵同时进击203高地周边的数个要塞，但结果造成了进攻兵力的分散，而且俄军在203高地布置了严密的防守，因此战斗也进行的异常激烈，日军士兵像蚂蚁一样向山顶爬去，一轮接一轮的毫无间隙，双方都已分不清冲击波的批次。而乃木希典命令炮兵连续不断地炮击俄军工事，甚至不惜伤及正在接近敌人工事的己方士兵。但在俄军的严密防守下，日军尽管付出了惨重的代价，但仍然无法攻占203高地，
到了9月22日晚上，日军仅仅只攻占了龙眼北方堡垒和水师营堡垒两个无关大局的要点，再次无功而返。而这一次日军的伤亡为5000余人，俄军为1200余人。
两次进攻旅顺未果，而且伤亡的兵力达2.5万余人，乃木希典也在日本国内受到强烈谴责。住宅也不时遭到民众的袭击，有的报纸上甚致要求乃木希典剖腹自杀，以谢国人。
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就在旅顺进攻不利的同时，8月23日，日军在北线也发动辽阳战役，共投入第1、2、4这3个军约13万兵力，而俄军己在辽阳做好了充份的准备，共计集中了18万兵力，布置了三道防线。
从总体来看，俄军的兵力占优，但分散在三道防线上，而且将40%兵力作为预备队布置，因此实际上投入一线战场的俄军兵力不足10万，第一道防线上的兵力更是不到6万人。相反日军却不留任何预备队，孤注一掷把全部兵力一次性投入战场，虽然在总兵力上处于劣势，却在局部上形成了优势兵力。
8月24日，日军以第1军率先向俄军第一道防线的左翼发动进攻，吸引俄军注意力；8月26日，以第2、4军迂回攻击俄军右翼。俄军统帅库罗帕特金担心俄军有被全部包围的危险，于是下令放弃第一道防线，全线撤至第二道防线防守。
攻克了俄军的一道防线之后，日军的士气大振，第8月30日，日三个军全部兵力同时俄军阵地发起进攻，全军拼死冲锋，并于9月1日攻占官屯、馒头山等一系列战术要点，9月2日俄军发动反击，一度曾收复馒头山，但日军随后展开反攻，俄军失利，馒头山再度失守。
虽然这时俄军的第二道防线也己失守，但日本己拼尽全力，并且遭到重大伤亡，而且又没有预备队，无力再发动进攻，但日军士兵在战斗中混不畏死的勇敢冲锋，让库罗帕特金感到了巨大的压力，因此造成了判断失误，在9月3日决定放弃辽阳退守奉天，这也让日军得到了一个意外之喜。其实一直到辽阳会战结束，俄军大部分预备队都未投入战斗，兵力上的优势没有得到充分发挥。
而这场战役日军伤亡23533人，其中阵亡5557人；俄军伤亡17912人，其中阵亡失踪3611人；因此出现了战争史上极为怪异的一面，获胜一方的伤亡竟然大于失败的一方。
在辽阳会战后，日俄两军大体上在奉天与辽阳之间的沙河地区形成对峙。至9月底，俄军己聚集了22万兵力，而日军尽管多次在国内进行了总动员，补充兵员，但毕竟国力不足，仅仅只恢复到战前的13万兵力，因此于是居于劣势兵力的日方决定在沙河地区转入防御，等待第三军攻克旅顺之后，北上增援再转入进攻。
本来日军不进攻，库罗帕特金也不打算立刻反击，因为俄军虽然在兵力上占优，但由于此前的战事不利，士气低落，而且不少部队是刚刚到达前线，对前线的情况不熟，需要时间来重新恢复士气，熟悉情况，因此库罗帕特金打算仍然是依托阵地等待日军来攻，消耗日军。
但在9月24日，沙皇尼古拉二世的电报发到奉天，要求库罗帕特金在短时间内取得决定性的胜果。原来俄军连战连败，在俄国国內造成了巨大的反响，使国民对战争产生了极为严重的不满情绪，社会民主党等革命组织活动频繁，7月内务大臣普列维被暗杀、8月敖德萨市第15师发生小规模哗变；而中产阶级中要求废除专制、要求君主立宪的呼声高涨。因此为了转移国民的视线，沙皇期望能在远东地区尽快取得一场大胜，来平息国内的不满情绪。
沙皇的命令，库罗帕特金自然不敢违抗，只好立刻着重新制订新的进攻计划。